高压倍加器14MeV的中子探测

文章 李玉芹

【摘 要】基于中国原子能科学研究院高压倍加器开展中子单粒子效应模拟试验的中子探测研究。为了保证单粒子效应截面测量的准确性，需建立可靠的中子探测方法。对国际上开展中子单粒子效应试验研究的实验室所采用的中子注量探测方法进行了调研，比较了这些中子探测方法以及相应探测器的特点。学习BF3和3He正比计数器加慢化体探测中子的方法，验证了这种探测方法可以为100MeV质子回旋加速器的准单能中子注量测量系统的设计和研制提供参考。

【关键词】中子单粒子效应;中子探测;正比计数器;慢化体

中图分类号： O571.54 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）12-0075-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.035

0 引言

单粒子效应不仅发生于太空环境中，而且会发生于大气环境中[1]。大气中子环境是由初级宇宙射线，主要是质子和重离子，与地球大气中的氧、氮等原子发生核反应生成的次级粒子构成的。1992年，A. Taber 和 E. Normand[2]首次证实了大气环境下的中子是可以导致航空电子器件发生单粒子效应。而后越来越多的证据表明在临近空间，大气中子是导致半导体器件发生单粒子效应（SEE）的主因，并且随着半导体技术的不断发展，复杂航空电子系统中器件的特征尺寸越来越小，电子系统对单粒子效应的敏感度不断增加。因此评估中子单粒子效应的危害，开展中子单粒子效应研究，对于近地空间飞行器的安全性和可靠性变得越来越重要。在中子单粒子效应地面模拟试验研究中，主要是通过各种中子源对器件进行辐照，从而对器件进行测试和评价[3]。为了保证试验研究中单粒子效应截面测量的准确性，对中子束流的探测就尤为重要，需要建立可靠的中子注量的探测方法。

1 中子探测方法

中子通过与物质原子核相互作用发生核散射或核反应产生带电粒子或γ光子，通过对这些产物进行探测从而达到探测中子的目的，主要有四种探测方法[3]：核反冲法、核反应法、核裂变法、核活化法。

这四种中子的探测方法各有其优缺点，核反冲法最常用的探测器是反冲质子望远镜，是绝对测量装置，能够测量中子注量和能量，并且能够直接测量快中子，测量精度仅次于伴随粒子法，可达到2-5%。但是探测系统的装置复杂庞大，D-T源的准直器长度需要60cm，反冲的高能质子探测也较为复杂。核反应法能够测量中子注量，常用的探测器有BF3和3He正比计数管，对热中子探测效率高，所以探测快中子时需要加上慢化体将快中子慢化。核裂变法常用的探测器是235U和238U裂变室，可测量中子注量，抗γ本底和电子学噪声能力很强，由于测量环境中有能量小于1MeV的散射本底中子存在以及238U镀层不可避免存在着235U，234U等低能中子裂变截面很大的核素，从而使记录的快中子数偏大，故需要用伴随粒子法、望远镜、活化分析等绝对测量装置进行刻度。核活化法使用的是活化片探测器，能够对中子注量进行探测，探测器体积小，制作简单，使用方便，由于照射和测量分开进行，可以不受γ本底的影响，但同时也无法实现束流的在线测量。

国际上不同的中子单粒子效应辐照试验研究的装置各运用不同进行中子的探测方法，单能中子方面美国波音辐射效应实验室是用伴随α粒子探测对中子进行探测;对于准单能中子源，瑞典乌普萨拉大学韦德贝里实验室（TSL）使用反冲质子望远镜加电离室和TFBC（thin-film breakdown counter）法，日本大阪大学核物理研究中心（RCNP）运用飞行时间法加上电离室对中子进行监督;白光中子源方面，美国洛斯阿拉莫斯中子科学中心（LANSCE）利用飞行时间法和电离室探测中子的能量和注量。

由于考虑到在100MeV质子回旋加速器的中子探测设计的实际情况，我们选用热中子灵敏探测器加慢化体的方式对中子进行探测。然后我们在高压倍加器上使用BF3正比计数管加慢化体的方式对中子进行探测试验。

2 14MeV中子探测试验

2.1 中子源

中国原子能科学研究院的高压倍加器是利用直流电压串级发生器作高压电源的高压加速器，加速能量范围在200-600keV氘离子来轰击氚靶，发生T（d，n）4He反应，产生能量约为14MeV的快中子。

2.2 试验布局

整体布局为：将半径2.5cm的正比计数器插入厚度为17cm的聚乙烯慢化体里，正对束流端口放置于实验厅支架上，其中聚乙烯作为慢化剂用以减速快中子，慢化体有八个孔洞作为调节孔对着中子入射方向，用以调节探测效率，防止直射热中子计数效率过高计数管前端加一片镉片。计数管前端距束流端水平距离为1.2m，距地面高1.93m。计数器加上高压，经过前置放大器和主放大器，最后接入测量厅的多道分析仪中，由PC显示测量结果。

3 探测结果及分析

实验测量可以得到计数管脉冲振幅分布情况以及计数率，对于BF3计数管，当中子进入计数管后与10B发生10B（n，a）7Li反应，由于计数管的壁效应，当α粒子或7Li核只有一个被记录，另一个能量损耗在管壁内，输出脉冲就会呈现出二个台阶的形状。在实验 中γ本底对中子探测也会有所影响，只要选择合适的时间常数和甄别阈，就可以有效地去除γ本底。

BF3计数管探测中子的效率为和10B发生反应的中子数与入射中子数之比[5]：由计算公式[5]可以得到BF3计数管的探测效率为0.194，我们在多道中读取到探测器单位时间的计数率为271.67，則所测得的中子注量率为1.21E+6（n/sr/s）。然后根据伴随α粒子法标定结果，计数管探测效率为4.9E-4，得中子注量率1.07E+6（n/sr/s）。测量值与标定值相比较，相对误差约为0.13，符合较好。

不同材料和厚度的慢化体对不同能量的中子的响应函数图[6]中我们可以看到在20MeV以下的时候，纯聚乙烯作为慢化体仍能发生较好的较好响应函数，但对于更高能量的中子，我们需要利用辅助材料金属如Cu、Pb等，与中子发生（n，xn）反应，从而提高中子响应。所以对100MeV质子回旋加速器上的中子进行测量时，在热中子灵敏探测器外要选取合适的聚乙烯和金属辅助材料组合的慢化体。由于不同厚度不同材料的慢化体对不同能量中子的响应函数不同，需要对慢化体进行设计使得探测器对于在地面模拟试验中常用中子能量能够有着较好的响应。

4 总结

学习和验证了快中子经慢化体慢化后由探测热中子效率高的探测器进行探测的可行性，改变慢化体的材料和厚度，可以将这种方法应用到更高能量中子的探测中去，这种中子探测的方法装置相对较简单，整体设计相对于反冲质子望远镜来说更为方便，能够为中国原子能科学研究院100MeV质子回旋加速器中子单粒子效应地面模拟试验的中子探测系统的建立提供参考。

【参考文献】

[1]Normand E.IEEE Trans.Nucl.Sci.，1996，43（3）：461-468.

[2]A.Taber and E. Normand. Investigation and Characterization of SEU Effects and Hardening Strategies in Avionics[EB/OL].IBM Report.

[3]蔡明辉，韩建伟，李小银，等.临近空间大气中子环境的仿真研究.物理学报，2009，58（9）：6659-6664.

[4]汲长松.中子探测实验方法.北京，原子能出版社，1998.

[5]吴治华.原子核物理试验方法.北京，原子能出版社，1994.

[6]袁娇，苏有武，李武元.一种宽能谱多球中子谱仪能量响应函数的MC模拟.原子核物理评论，2015，32（2）.